某變速箱軸承失效分析

黃曉輝，張麗煥

（1.哈爾濱軸承集團公司 經(jīng)營發(fā)展部，黑龍江 哈爾濱 150036；2.哈爾濱軸承集團公司 工具分廠，黑龍江 哈爾濱150036）

1 前言

6306軸承在主機箱上使用546小時后，發(fā)生振動加劇、噪聲增大現(xiàn)象。為查找軸承失效原因，將軸承進行拆解。拆解后，對各組件觀察發(fā)現(xiàn)：

（1）軸承外圈滾道呈360°磨損痕。

（2）內(nèi)圈滾道存在三處剝落，內(nèi)圈滾道呈360°磨損痕且運轉(zhuǎn)磨損痕偏于一側(cè)溝邊。

（3）鋼球表面存在硬質(zhì)顆粒壓痕。

通過對該軸承進行失效分析，找出造成疲勞失效的原因，采取措施避免此類問題的再次出現(xiàn)，從而延長軸承的使用壽命。

2 故障特征

2.1 軸承外觀

故障軸承外觀無異常，整體顏色光亮，內(nèi)、外套圈表面未見損傷，保持架完整，鉚釘無缺損松脫，見圖1 。

圖1 軸承外觀

2.2 軸承拆解后各零件情況

失效軸承用手轉(zhuǎn)動內(nèi)外圈時有明顯阻滯感，偶然會發(fā)生卡死現(xiàn)象。因保持架情況完好，鉚釘完整無松脫，故采用分解保持架的方式對軸承進行拆解，見圖2。

圖2 拆解后各部件外觀情況

圖3 外圈滾道部位壓痕

外圈滾道部位無剝落，呈360°磨損痕，滾道表面密布硬質(zhì)顆粒壓痕，外圈端面可見周向磨損痕，見圖3、4。

內(nèi)圈滾道表面共有三處剝落，三處分別處于12點、1點、6點鐘位置（用鐘表表針顯示時間的位置說明剝落處具體位置，下同）。其中12點位置剝落面積約為5mm×3mm,1點處剝落面積約為2mm×3mm,6點處剝落面積約為1 mm×3mm，見圖5、6、7 ；內(nèi)圈滾道磨損存在偏溝，即磨損痕跡偏向一側(cè)溝邊；內(nèi)圈內(nèi)徑存在周向磨痕，見圖8、9。

圖4 外圈端面周向磨損痕

圖5 內(nèi)圈12點處剝落

圖6 內(nèi)圈1點處剝落

圖7 內(nèi)圈6點處剝落

圖8 內(nèi)圈溝道偏溝磨損痕

圖9 內(nèi)圈內(nèi)徑周向磨損痕

鋼球表面存在直徑不等的硬顆粒壓痕，未見剝落，見圖10。

圖10 鋼球表面的硬顆粒壓痕

因內(nèi)外套及鋼球未發(fā)生剝落，失效應(yīng)首發(fā)于內(nèi)圈。從內(nèi)圈溝道三處剝落的面積和形態(tài)來，三處剝落均屬于源于硬物壓痕邊緣的疲勞剝落及擴展。12點處面積最大，應(yīng)為最先發(fā)生的剝落點。

3 理化檢測

根據(jù)故障件分解后外觀檢查結(jié)果，選取內(nèi)圈、外圈及三粒鋼球，分別檢測了硬度及淬回火組織，檢測結(jié)果見表1。從檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)套、外套和鋼球的淬回火組織及硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

表1 各零件硬度及組織檢測結(jié)果

內(nèi)套淬回火組織4級、外套淬回火組織3級、鋼球淬回火組織2級，分別見圖11、12、13。對內(nèi)圈12點處進行截面分析，未發(fā)現(xiàn)明顯夾雜物，組織未見異常。在剝落部位附近可見剝落擴展的次表層裂紋，見圖14。

經(jīng)檢驗，各零件組織、硬度符合JB/T1255-2001熱處理質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 內(nèi)套淬回火組織，500×

圖12 外套淬回火組織，500×

圖13 鋼球淬火組織，500×

圖14 內(nèi)套剝落部位的次表層裂紋

4 故障分析

通過檢測分析，可以得出：

（1）失效軸承的各零件熱處理質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)套首先剝落點未發(fā)現(xiàn)材料及熱處理缺陷；

（2）內(nèi)圈滾道偏溝磨損，外圈360°均勻磨損，說明軸承安裝后內(nèi)套軸向受力，使內(nèi)圈及鋼球運動位置不正確。同時由于內(nèi)套受軸向力后，引起軸承游隙變小，外圈發(fā)生360°均勻磨損；

（3）內(nèi)圈內(nèi)徑存在周向磨痕，是因為軸與內(nèi)套配合過盈量過小或存在間隙，引起軸與軸承內(nèi)圈發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。軸與內(nèi)套配合不緊時軸承運轉(zhuǎn)時會引起振動加大；

（4）外來異物引起的內(nèi)圈滾道硬物壓痕是造成軸承內(nèi)套三處剝落的直接原因，可見，軸承使用時要注意潤滑系統(tǒng)的清潔。

通常通過軸承滾道磨損痕跡可以來判斷軸承運行受力狀況，見圖15、16。

圖15 受徑向力，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈靜止時內(nèi)外圈溝道磨損情況

圖16 受徑向力，外圈旋轉(zhuǎn)、內(nèi)圈靜止時內(nèi)外圈溝道磨損情況

該6306軸承正常使用時應(yīng)屬于圖15——受徑向力，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)外圈靜止的受力方式。在正常受力情況下，應(yīng)產(chǎn)生圖15所示的類似的磨損痕跡。但實際拆解后觀察，內(nèi)圈磨損痕偏向于溝道一側(cè)，不在正常的溝底，這說明軸承受到了軸向作用力。同時由于軸向力作用，使軸承的徑向游隙變小，外圈溝道的磨損不再是對應(yīng)承壓區(qū)約120°的磨損，而變成了360°的周向磨損。

5 結(jié)論

綜合以上分析，造成軸承疲勞失效的原因是：

（1）軸承安裝不當(dāng)，軸與內(nèi)套配合不緊引起軸承運轉(zhuǎn)時振動加大。

（2）由于軸承安裝不當(dāng)，使內(nèi)套受非正常的軸向力的作用，導(dǎo)致軸承內(nèi)外套間游隙變小，內(nèi)圈發(fā)生偏溝磨損，直至發(fā)生剝落。

（3）潤滑系統(tǒng)清潔不到位，異物進入軸承內(nèi)部使得鋼球及滾道發(fā)生損傷加速了內(nèi)圈疲勞剝落。

可見，軸承在使用過程中合理的安裝對保證安全及提高軸承的使用壽命至關(guān)重要。同時，軸承使用過程中應(yīng)保證潤滑系統(tǒng)的清潔，防止異物的混入，進而提高軸承的使用壽命。